【文章內(nèi)容簡介】 可編程I/O線；兩個16位定時器/計數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)具有5個中斷源和2個中斷優(yōu)先級；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲內(nèi)容。3硬件設(shè)計如圖31所示為電路框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止狀態(tài)，編號顯示器滅燈，定時器顯示設(shè)定時間；主持人將開關(guān)置，“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時器倒計時，揚聲器給出聲響提示。選手在定時時間內(nèi)搶答時，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次操作開始、停止狀態(tài)開關(guān)搶答按扭優(yōu)先編碼電路鎖存器譯碼電路譯碼顯示主持人控制開關(guān)控制電路報警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時電路譯碼電路顯示電路圖31 電路框圖 圖31電路框圖參考電路如圖32所示。該電路完成兩個功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號，同時譯碼顯示電路顯示編號；二是禁止其他選手按鍵操作無效。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置,“清除”然后再進行下一次搶答。 圖32搶答電路的接口電路時序控制電路是搶答器設(shè)計的關(guān)鍵，它要完成以下功能： (1)主持人將控制開關(guān)撥到開始位置時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路進人正常搶答工作狀態(tài)?！　　　　　　　? 　　　　　　　　　　　　 (2)當參賽選手按動搶答鍵時，揚聲器發(fā)聲，搶答電路和定時電路停止工作。外部中斷和內(nèi)部中斷并存，單片機硬件復位端，只要持續(xù)4個機器周期的高電平即可實現(xiàn)復位，硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器以及存儲器的值都恢復到了初始值，因為本設(shè)計中功能中有倒計時時間的記憶功能，所以不能對單片機進行硬件復位，只能用軟件復位，軟件復位實際上就是當程序執(zhí)行完之后，將程序通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它完成復位。 圖33復位電路圖圖33中由按鍵RESET1以及電解電容C電阻R1構(gòu)成按鍵及上電復位電路。由于單片機是高電平復位，所以當按鍵RESET1按下時候，單片機的9腳RESET管腳處于高電平，此時單片機處于復位狀態(tài)。當上電后，由于電容的緩慢充電，單片機的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時間后，單片機的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時單片機上電復位完畢，系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行。值得注意的是，在設(shè)計當中使用到了硬件復位和軟件復位兩種功能，由上面的硬件復位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲器的值都恢復到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計時時間的記憶功能，該功能的實現(xiàn)的前提條件就是不能對單片機進行硬件復位，所以設(shè)定了軟復位功能。軟復位實際上就是當程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。 時鐘震蕩電路單片機必須在AT89C51的驅(qū)動下才能工作，在單片機內(nèi)部有一個時鐘震蕩電路，只需要外接一個振蕩器就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，時鐘震蕩電路如圖34所示。 圖34時鐘震蕩電路圖一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C1，C2的典型值為20PF。單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。圖中時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12181。s。報警電路用于報警，當遇到報警信號時，發(fā)出警報。一般喇叭是一種電感性圖35報警電路圖。8951驅(qū)動喇叭的信號為各種頻率的脈沖。因此，最簡單的喇叭驅(qū)動方式就是利用達林頓晶體管，或者以兩個常用的小晶體管連接成達林頓架勢。在右圖中電阻R為限流電阻，在此利用晶體管的高電流增益，以達到電路快速飽和的目的。不過，如果要由P0輸出到此電路，還需要連接一個10K的上拉電阻。 選手在設(shè)定的時間內(nèi)搶答時，實現(xiàn)：優(yōu)先判斷、編號鎖存、編號顯示、揚聲器提示。當一輪搶答之后，定時器停止、禁止二次搶答、定時器顯示剩余時間。如果再次搶答必須由主持人再次作清除和開始狀態(tài)開關(guān)。圖35報警電路圖 顯示功能與硬件關(guān)系極大，當硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復雜，但是相對靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設(shè)計中根據(jù)實際情況采用的是動態(tài)顯示方法。通過查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來，其中P0口為字型碼輸入端，P2口低3位為字選段輸入端。在這里我們通過查表將字型碼送給7段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，4位七段數(shù)碼管顯示電路如圖36所示。圖36共陰極數(shù)碼管圖36中數(shù)碼管采用的是4位七段共陰數(shù)碼管，其中A~H段分別接到單片機的P0口，由單片機輸出的P0口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼COMCOM由單片機來決定當前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個1K的電阻，連接在P0口上，用作P0口的上拉電阻，保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出時候處于高電平狀態(tài)。鍵盤是人與單片機打交道的主要設(shè)備。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計方法也可以在文獻和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當前時刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間,所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間(這里我們?nèi)?0ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效。 在本文設(shè)計中采用了獨立鍵盤的方式，本設(shè)計中有8個搶答按鍵輸入，一個開始按鍵、一個結(jié)束按鍵，此外還有搶答時間調(diào)整鍵、回答時間調(diào)整鍵，加一按鍵、減一按鍵各一個。如圖37所示。圖37搶答按鍵~，~。圖38開始和結(jié)束按鍵在圖38中，開始及結(jié)束按鍵接到單片機的11腳，這里用到了單片機11腳復合功能中的IO端口功能，單片機通過讀取。按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會引起按鍵命令的錯誤執(zhí)行或重復執(zhí)行?，F(xiàn)在一般均用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于5ms，例如取1020ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。4軟件設(shè)計 軟件任務分析軟件任務分析和硬件電路設(shè)計結(jié)合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務由軟件完成，在硬件電路設(shè)計基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設(shè)計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計偏重算法效率，與硬件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。軟件任務分析時，應將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。相對來講，執(zhí)行模塊任務明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難了。軟件任務分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 程序流程圖在本設(shè)計中包括了以下主要的程序：主程序，查詢程序，非法搶答程序，搶答時間調(diào)整程序，回答時間調(diào)整程序，倒計時程序，正常搶答處理程序，犯規(guī)處理程序，顯示及發(fā)聲程序。主流程圖如41所示：初始化顯示FFF開始鍵加一鍵減一鍵去抖動調(diào)整搶答時間回答時間非法搶答處理顯示犯規(guī)正常搶答 顯示搶答號并倒計時 Y Y Y圖41 程序設(shè)計流程圖5系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的任務是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設(shè)計性錯誤和工藝性故障。軟件調(diào)試時利用開發(fā)工具進行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。 單片機應用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試時分不開的，許多硬件故障是在調(diào)試軟件時發(fā)現(xiàn)的，但通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。（1）常見的硬件故障 ①邏輯錯誤。樣機硬件的邏輯錯誤時由于設(shè)計錯誤或加工過程中的工藝性錯誤所造成的，包括錯線，開路和短路等幾種，其中短路時最常見的故障。 ②元器件失效。元器件失效的原因有兩個方面：一是器件本身已經(jīng)損壞或性能不符合要求；二是由于組裝錯誤造成的元器件失效，如點解電容，二極管的極性錯誤或集成塊安裝方向錯誤等。 ③可靠性差。引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如接地插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，內(nèi)部和外部的干擾，電源紋波系數(shù)過大或器件負載過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定，另外走線和布局的不合理等也會引起系統(tǒng)的可靠性差。 ④電源故障。若樣機中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設(shè)計要求，電源引線和插座不對應，電源功率不足和負載能力差等。（2）硬件調(diào)試方法 ①脫機調(diào)試。脫機調(diào)試是在樣機加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖，子線檢查樣機線路的正確性，并核對元器件型號，規(guī)格和安裝是否符合要求。特別注意電源的走線，防止電源之間的短路或極性錯誤，重點檢查系統(tǒng)的總線或其他信號線之間是否存在相互的短路。樣機所用的電源，事先必須單獨調(diào)試后才能加到系統(tǒng)中。在不插芯片的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，子線測量個點電位是否正常，尤其應注意單片機插座上的各點電位是否正常。 ②聯(lián)機調(diào)試。通過脫機調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障，有些硬件故障需要通過聯(lián)機調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。通電后，執(zhí)行讀寫指令，對用戶樣機的存儲器，I/O端口進行讀寫和邏輯檢查等操作，用示波器等設(shè)備觀察波形（如輸出波形，讀/寫控制信號，地址數(shù)據(jù)波形和有關(guān)控制電平），通過對哦性的觀察分析，發(fā)現(xiàn)和排除故障。 軟件